Моделирование процессов в объемном ротационном насосе-дозаторе Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACHINE BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING

6УДК 631.363 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-2-60-65

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ОБЪЕМНОМ РОТАЦИОННОМ НАСОСЕ-ДОЗАТОРЕ

© 2018 г. А.Н. Глобин1, А.В. Касьяненко2

1Донской государственный аграрный университет, г. Зерноград, Россия, 2ЗАО «СКВО», г. Ростов-на-Дону, Россия

MODELING IN VOLUMETRIC ROTARY PUMP-DISPENSER

A.N. Globin1, A.V. Kasyanenko2

1Don State Agrarian University, Zernograd, Russia, 2JSC «Squaw», Rostov-on-Don, Russia

Глобин Андрей Николаевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технологии и средства механизации агропромышленного комплекса», Донской государственный аграрный университет, г. Зерноград, Россия. E-mail: globin_andn@rambler. ru

Касьяненко Анна Владимировна - ген. директор, экономист, ЗАО «СКВО», г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: Kasyanenko. anna@gmail .com

Globin Andrey Nikolaevich - Candidate of Technical Science, associate professor, department «Technology and Mechanization of Agriculture», Don State Agrarian University, Zernograd, Russia. E-mail: [email protected]

Kasyanenko Anna Vladimirovna - the General Director, economist, of JSC «Squaw», Rostov-on-Don, Russia. E-mail: Kasyanenko. anna@gmail. com

Дальнейшее совершенствование ротационных насосов перистальтического действия привело к созданию объемного насоса-дозатора, в котором шланг заменён на общую эластичную кольцевую полость по всей ширине статора, периодически сжимаемую вращающимся эксцентричным ротором или роликом. Подача такого насоса-дозатора, без учета перетечек среды из нагнетательной камеры во всасывающую, прямо пропорциональна объему рабочей камеры и частоте вращения ротора насоса-дозатора. Усилие на перекатывание ролика в объёмном насосе-дозаторе зависит от диаметров большого и малого цилиндров, свойств материала боковых гофрированных крышек и глубины вакуума в камере всасывания эластичной оболочки, что необходимо учитывать при проектировании таких устройств.

Ключевые слова: насос-дозатор; ролик; эластичная оболочка; подача; ротор; ролик.

Further improvement in rotary pumps, peristaltic actions have resulted in creation of a volumetric metering pump in which the hose replaced on the overall elastic annular cavity across the width of the stator periodically compressible rotating eccentric rotor or pulley. The filing of such a dosing pump, excluding the leakages of the environment from the discharge chamber into the suction, is directly proportional to the volume of the working chamber and the rotation speed of the rotor of the dosing pump. The force on the rolling roller in volumetric pump-dispenser depends on the diameters of large and small cylinders, the material properties of corrugated side covers, and the degree of vacuum in the intake chamber elastic shell that must be considered when designing such devices.

Keywords: pump; roller; elastic shell; flow; rotor; roller.

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

Ротационные насосы-дозаторы перистальтического действия работают практически без смазки, не имеют прямой зависимости подачи от износа деталей и перетечек продукта в эластичной камере, обладают хорошими характеристиками относительно интенсивности шума, они позволяют обеспечить не только эффективное дозирование жидких материалов, но и их перекачку [1].

Подача насоса-дозатора перистальтического действия в наибольшей мере зависит от конструкции шлангов - своеобразной гибкой оболочки. Увеличивая число шлангов, т.е., создавая пакет из них, сравнительно легче наращивать подачу. Однако корпус насоса (статор) по его длине используется в этом случае неравномерно: часть его между соседними шлангами не участвует в образовании рабочего объема и снижает его возможности в увеличении подачи [2 - 4].

Одним из путей устранения такого недостатка может быть создание других форм шланга или замены его на общую эластичную кольцевую полость по всей ширине статора, периодически сжимаемую вращающимся эксцентричным ротором или роликом [5 - 7].

Схема такого насоса-дозатора приведена на рис. 1, состоит он из корпуса 1 с всасывающим 11 и нагнетательным 10 патрубками, одной или нескольких эластичных камер 13 на его внутренней поверхности, ротора 14, закрепленного на приводном валу и роликов 2 по одному для каждой эластичной камеры. Ролик 2 расположен на оси 3 каретки 4, подвешенной одним концом шарнирно на рычаге 5 ротора 14, а другим - к винту 16 с нажимной пружиной 20, имеющему шайбу 19 и гайку 17 для регулировки степени сжатия эластичной камеры 13 роликом 2.

Эластичные камеры закреплены последовательно одна за другой внутри корпуса 1 насоса. Каждая камера 13 состоит из наружного 24 и внутреннего 22 жестких цилиндров (например, стальных), соединенных между собой с боковых сторон Е-образными гофрированными эластичными крышками 21 и 23. Внутренняя полость эластичной камеры 13 разделена гибкой перегородкой 7 в промежутке между установленными в корпусе 1 всасывающим 11 и нагнетательным 10 патрубками. Для сообщения полости эластичной камеры 13 с указанными патрубками в наружном цилиндре 24 предусмотрены отверстия 8 и 12.

Работа насоса-дозатора осуществляется следующим образом. Ролик 2 под действием пружины 20 прижимает внутренний цилиндр 22 эластичной камеры 13 к наружному цилиндру

21 , сдавливая гофры эластичных крышек 21 и 23 до соприкосновения их боковых сторон и внутренних вершин, что разделяет в сочетании с перегородкой 7 полость эластичной камеры 13 на две части 6 и 18, сообщающиеся соответственно с нагнетательным 10 и всасывающим 11 патрубками насоса.

11

12

13

14

15 16

17 18

19 20

10 9

8 7 6

А-А

21 13 22 23

1

24

; 2 22 21 1

24

Рис. 1. Схема объемного насоса-дозатора: 1 - корпус;

2 - ролик; 3 - ось ролика; 4 - каретка; 5 - рычаг;

6, 18 - правая и левая части эластичной камеры; 7 - перегородка; 8, 12 - отверстия; 9 - обратный клапан;

10 - нагнетательный патрубок; 11 - всасывающий патрубок; 13 - эластичная камера; 14 - ротор; 15 - вал ротора; 16 - винт; 17 - гайка; 19 - шайба; 20 - пружина; 21, 23 - эластичные крышки; 22 - внутренний цилиндр; 24 - наружный цилиндр / Fig. 1. Scheme of the volumetric pump-metering pump: 1 - housing; 2 - the roller; 3 - the axis of the roller; 4 - carriage; 5 - the lever; 6, 18 - right and left

parts of the elastic chamber; 7 - partition; 8, 12 - holes; 9 - reverse clan; 10 - a delivery branch pipe; 11 - the suction pipe; 13 - the elastic chamber; 14 - rotor; 15 - rotor shaft;

16 - the screw; 17 - nut; 19 - a washer; 20 - a spring;

21, 23 - elastic covers; 22 - the internal cylinder;

24 - the external cylinder При вращении ротора 14 (на рис. 1 против часовой стрелки) ролик 2 катится по поверхности жесткого внутреннего цилиндра 22 эластичной камеры 13 постоянно поджимая его к наружному цилиндру 21 и плотно пережимая камеру 13 в месте ее контакта с роликом 2. При этом по мере поворота ролика 2 объем части 18 полости эластичной камеры 13 увеличивается и в нее через патрубок 11 засасывается жидкость, одновременно объем части 6 эластичной камеры 13 уменьшается, давление жидкости в ней увеличивается, обратный клапан 9 открывается, обеспечивая поступление ее в нагнетательный трубопровод обслуживающей насосом-

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

дозатором установки. После прохода им отверстия 8 обратный клапан закрывается, отделяя от насоса нагнетательный трубопровод. Далее ролик 2, сжимая эластичную перегородку 7, перекатывается в зону расположения всасывающего отверстия 12, проходит его, вновь камера 13 разделяется роликом 2 на две части 6 и 18 и процессы повторяются с заданной частотой вращения ротора 14.

В таком насосе-дозаторе (см. рис. 1) подача зависит от вместимости эластичной рабочей камеры при совпадении неподвижной и движущейся перегородок 7 камер всасывания и нагнетания и от частоты вращения ротора насоса-дозатора, т.е. скорости перемещения «движущейся перегородки».

Если временно допустить, что боковые гофры не исключают некоторый рабочий объем, то одну из симметрично расположенных половинок рабочего объема эластичной камеры можно представить в виде, показанном на рис. 2.

Q

—г

/ / /

X _ / /\_

ХуЛ г

\ \

\ 1 Q

о / !

/ / 1

Рис. 3. Схема к определению площади боковой стенки эластичной рабочей камеры насоса-дозатора / Fig. 3. Scheme for determining the sidewall area elastic working chamber of the metering pump

Условную площадь боковой стенки насоса-дозатора представим как разность площадей, ограниченных большим цилиндром с диаметром D и меньшим с диаметром d0.

В результате объем рабочей эластичной камеры без учета пространства, исключаемого гофрами боковых стенок, представим в следующем виде:

V =

fnD 2

j2 nd 0

b;

Ук = 1 пъ{б2 - ^),

где Ь - ширина рабочей эластичной камеры, м.

Часть объема, занимаемого гофрами боковых стенок, представлена на рис. 4.

Рис. 2. Схема участка рабочего объема эластичной камеры насоса-дозатора / Fig. 2. Scheme of the working volume of the elastic chamber the metering pump

Для определения максимального объема эластичной камеры, а затем и подачи насоса-дозатора необходимо найти значение условной площади боковой стенки эластичной камеры (рис. 3).

Рис. 4. Расчетная схема к определению объема, занимаемого гофрами боковых стенок / Fig. 4. Calculation scheme for determining the volume, of the corrugated side walls

С учетом того, что высота треугольника представляется выражением

h=bl J D-V2

4 I 2

м,

площадь его будет:

1

F = -( D - do )

D - с

2 Л

м

Объем пространства, исключаемого гофрами боковых стенок с обеих сторон эластичной камеры на всей ее длине, равен

V = n(D - d0 )2

b2

4

D-d

2

2 Л

м

Подача насоса-дозатора, без учета перетечек среды из нагнетательной камеры во всасывающую, прямо пропорциональна объему рабочей камеры и частоте вращения ротора насоса-дозатора, т. е.

4

4

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

S = Г X n, м3/с;

S = n{D - d0 )2

Л

b 2 (D - d.

4

2

2 Л

60

м3/с,

где п - число оборотов ротора в минуту.

Следовательно, подача такого объемного насоса-дозатора, в первую очередь, зависит от диаметра цилиндров гибкой оболочки (диаметра статора и диаметра обечайки), ширины эластичной камеры и, в отличие от ротационного насоса-дозатора перистальтического действия, не зависит от размеров обкатывающих роликов, наличия переходного участка и длины неиспользуемого участка.

Работа ролика ротора в объемном насосе-дозаторе отличается от работы ролика ротора ротационного насоса-дозатора перистальтического действия. Это происходит по нескольким причинам:

- в объемном насосе-дозаторе используется на одну оболочку - один ролик, а не два или несколько, как в шланговом;

- различен характер поверхности качения ролика по эластичной оболочке и шлангу;

- различно и влияние на ролик давления в эластичной оболочке.

При работе насоса-дозатора во внутренней полости эластичной оболочки может присутствовать вакуумметрическое давление, в результате чего на внутренний цилиндр оболочки (поз. 1) действует распределенная нагрузка р (рис. 5), стремящаяся вернуть цилиндр в нейтральное положение (поз. 2).

Рис. 5. Схема действия нагрузок на внутреннее кольцо (обечайку) эластичной камеры насоса-дозатора: 1 - рабочее положение обечайки; 2 - нейтральное положение обечайки / Fig. 5. The scheme of the action of loads on the inner ring (shell) elastic chamber of the dosing pump: 1 - working position of the shell; 2 - neutral position of the shell

Эта сила численно равна произведению вакуумметрического давления во внутренней полости оболочки и площади соприкасания внутреннего цилиндра с гофрированными стенками эластичной камеры Рр = рSц.

Процесс разуплотнения начинается тогда, когда усилие, создаваемое давлением, превосходит усилие трения в контакте цилиндров. Величина усилия трения зависит от коэффициента трения и силы нормального давления, возникающего в контакте между уплотняемыми деталями.

Зависимость между давлением разгерметизации и средним напряжением в контакте деталей показана на рис. 6 [8].

25

50 о, кН/м2

Рис. 6. Зависимость между давлением разгерметизации и

средним напряжением в контакте цилиндров камеры / Fig. 6. Dependence between depressurization pressure and the average voltage in the contact of the chamber cylinders

При этом возникают контактные напряжения, зависимости которых представлены на рис. 7 и 8 [9, 10].

0,2

0,4

0,6

0,8

Рис. 7. Зависимость контактного напряжения от степени сжатия при осевом сжатии / Fig. 7. Dependence of the contact voltage on the compression ratio for axial compression

n

к

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

Р, кПа 1000

500

0,05

0,1

Рис. 8. Зависимость давления разуплотнения от степени сжатия / Fig. 8. Dependence of the decompression pressure on the compression ratio

Уравнения окружности малого и большого цилиндров гибкой камеры представим в следующем виде:

X + у2 = я2;

;+(у 2 - 2(Я - г)-в)2 = г;

„2 2 2 я - y = x ;

r 2-(y 2 - 2 (я - r)-8 )2 = x2,

где в - глубина взаимодействия большого и ма-Площадь соприкасания внутреннего ци- лого цилиндров

Откуда

линдра с гофрированными стенками эластичной камеры = Ьа, где Ь - ширина внутреннего цилиндра, м; а - длина прямоугольного участка соприкосновения внутреннего цилиндра с гофрированными стенками эластичной камеры, м.

Общая схема сжимаемого участка представлена на рис. 9.

Я2 -y2 = r2 -(y-2(Я-r)-8)

тогда

у \

\ х

(y - (2Я + 2r - 8))2 = У2 - 2у(2Я + 2r - 8)

1 +

Рис. 9. Общая схема сжимаемого участка / Fig. 9. General scheme of the compressible section

Для определения расстояния «а» найдем общие координаты крайних точек соприкосновения цилиндров.

+ y(2R + 2r - 8); 2y2 -2y(2R + 2r-8) + y(2R + 2r-8) = Я2 -r2; 2y2 -у(2Я + 2r - 8) = Я2 - r2.

Теперь координаты крайних точек соприкасания будут:

yi,2 =

-(2Я + 2r -8)±-у/(2Я + 2r -8)2 -8(я2 -r2)

2 -(2Я + 2r -8)^(2Я + 2r -8)2 -8(я2 -r2)

Я2 -

Xo —

r 2 -

(2Я + 2r - 8)^(2Я + 2r - 8)2 - 8(я2 - r2)- 2(Я - r)

4

к

4

4

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 2

a = -

Далее определим искомое расстояние «а»:

V(0-x f +(0-y f W(x2 -0)2 +(У2 -0)2;

Г~2 2 Г~2 2 a = V x + у +V X2 + у2 .

а = arcsin

. -JkR2 -(D - d )2

nR

где D и Л - диаметр и радиус статора объемного насоса-дозатора, м; d - диаметр внутреннего цилиндра объемного насоса-дозатора, м.

Полученные выражения позволяют найти численные значения равнодействующей Рр.

Однако сила Рг давления ролика ротора на внутренний цилиндр больше равнодействующей Рр, так как

Рг = Рр + рп, Н,

где Рп - сила передавливания резинового слоя гофрированных стенок, направленная на создание герметичности в рабочих камерах, Н. Эта сила должна быть равной [9]

Рп = Фоп«$ц.

где фоп - коэффициент, учитывающий изменение начальной формы опорной поверхности в процессе деформации, фоп ~ 0,95.

С другой стороны, усилие, направленное на перекатывание ролика ротора по внутреннему цилиндру объемного насоса-дозатора ^спр, можно представить следующей зависимостью (рис. 10):

Рспр = Рп ЯП a,

где а - угол между касательными окружностей большого и малого цилиндров в дозаторе в точке соприкасания этих цилиндров:

Рис. 10. Схема расположения касательных окружностей большого и малого цилиндров в точке их соприкасания / Fig. 10. Diagram of the location of the tangent circles Large and small cylinders at their point of contact

Следовательно, усилие на перекатывание ролика в таком насосе-дозаторе зависит от диаметров большого и малого цилиндров, свойств материала боковых гофрированных крышек и глубины вакуума в камере всасывания эластичной оболочки, что необходимо учитывать при проектировании таких устройств.

Литература

1. Глобин А.Н., Краснов И.Н., Удовкин А.И., Тюрин А.И. Ротационный вакуумный насос шлангового типа: Патент на полезную модель №88748. - 2009.

2. Глобин АН. Обоснование параметров и режимов работы ротационного вакуумного насоса шлангового типа: дис. ... канд. техн. наук. Зерноград, 1998.

3. Глобин А.Н. Подача ротационного вакуумного насоса шлангового типа. // Научн. тр. Ст. ГСХА. Ставрополь, 1996.

4. Глобин А.Н., Краснов И.Н. Теоретические исследования ротационного вакуумного насоса шлангового типа. (Деп. в ВИНИТИ №3348 - В98 от 16.11.98).

5. Глобин А.Н., Краснов И.Н. Объемный насос: Патент №2131539. - 1997.

6. Глобин А.Н. Дозирующие устройства: монография. Саратов, 2017. 344 с.

7. Глобин А.Н., Краснов И.Н. Дозаторы. Москва; Берлин, 2016. 368 с.

8. Баденков П.Ф., Евстратов В.Ф. Резина - конструкционный материал современного машиностроения. М.: Химия, 1967.

9. Горелик Б.М., Ратнер А.В., Бухина М.Ф. Исследование резиновых уплотнительных колец круглого поперечного сечения. М.: Химия, 1967.

10. Горелик Б.М., Ратнер А.В., Бухина М. Ф. Каучук и резина. М: Химия, 1960.

References

Globin A.N., Krasnov I.N., Udovkin A.I., Tjurin A.I. Rotacionnyj vakuumnyj nasos shlangovogo tipa [Rotary vacuum pump of hose type]. Patent RF, no. 88748, 2009.

Globin A.N. Obosnovanie parametrov i rezhimov raboty rotatsionnogo vakuumnogo nasosa shlangovogo tipa. Diss. kand. tekhn. nauk [Justification of the parameters and operating modes of the rotary vacuum pump of the hose type. Cand. tech. sci. diss]. Zernograd, 1998.

Globin A.N. Podacha rotatsionnogo vakuumnogo nasosa shlangovogo tipa [Supply of a rotary vacuum pump of hose type]. Nauchn. tr. St. GSKhA, Stavropol' ,1996.( In Russ.)

4. Globin A.N., Krasnov I.N. Teoreticheskie issledovaniya rotatsionnogo vakuumnogo nasosa shlangovogo tipa (stat'ya) [Theoretical studies of a rotary vacuum pump of a hose type (article)]. Dep. V VINITI №3348 - V98 ,1998.

5. Globin A.N., Krasnov I.N. Ob"emnyi nasos [Volumetric pump ]. Patent RF, no. 2131539, 1997.

6. Globin A.N. Doziruyushchie ustroistva [Dosing devices] . Saratov, 2017, 344 p.

7. Globin A.N., Krasnov I.N. Dozatory [Dispensers]. Moscow-Berlin, 2016, 368 p.

8. Badenkov P.F., Evstratov V. F. Rezina - konstruktsionnyi material sovremennogo mashinostroeniya [Rubber - structural material of modern engineering]. Moscow: Khimiya, 1967.

9. Gorelik B.M., Ratner A.V., Bukhina M.F. Issledovanie rezinovykh up-lotnitel'nykh kolets kruglogo poperechnogo secheniya [Investigation of rubber sealing rings of circular cross section]. Moscow: Khimiya, 1967.

10. Gorelik B.M., Ratner A.V., Bukhina M.F. Kauchuk i rezina [Rubber and rubber]. Moscow : Khimiya, 1960.

3

Поступила в редакцию /Receive

24 июля 2017 г. / July 24, 2017

а